Вдосконалення аеродинамiчних характеристик автомобiлiв для спорту методами чисельного i натурного експерименту

Abstract

Дисертація присвячена питанням зовнішньої і внутрішньої аеродинаміки гоночних автомобілів. Проведено чисельні і натурні експерименти на базі автомобілів ХАДІ 25,31,33,34 Лабораторії швидкісних автомобілів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Актуальність дисертаційної роботи визначається необхідністю вирішення науково-практичної задачі, пов’язаної з вдосконалюванням аеродинамічних характеристик швидкісних і гоночних автомобілів, відпрацьовуванням методів математичного моделювання аеродинамічних характеристик. Зростання інтересу до рішень в галузі аеродинаміки викликане потребами зниження аеродинамічного опору руху автомобіля, та, в кінцевому рахунку, підвищенням економічності, управлінням аеродинамічної притискної (підіймальної) сили, підвищенням стійкості руху. На сьогодні жоден спортивний автомобіль не випускається без спеціальних елементів управління потоком повітря, таких як антикрила, профільоване днище, повітрязабірники. Провідні світові виробники приділяють значну увагу аеродинамічному проектуванню спортивних і гоночних автомобілів. Однак через високу конкуренцію в автоспорті, результати передових досліджень (часто дуже складних) є конфіденційними і не публікуються у відкритій літературі. Таким чином,співідношення опублікованих даних 3 реальних досліджень набагато менше, ніж в інших інженерних дисциплінах (наприклад, аерокосмічній). В Україні автоспорт розвивається в основному завдяки зусиллям аматорських команд, які приділяють основну увагу вдосконаленню двигуна, трансмісії і підвіски. При цьому аеродинамічні рішення для гоночних автомобілів запозичуються за кордоном, без будь-якого наукового обґрунтування. Тому вдосконалення аеродинамічних характеристик швидкісних і гоночних автомобілів, відпрацювання методів математичного моделювання аеродинамічних характеристик є актуальним завданням і визначає напрямок дисертаційної роботи. У результаті проведеного аналізу стану розвитку аеродинаміки в автомобілебудуванні можна зробити наступні висновки: - у науковій літературі практично відсутній системний підхід до вивчення питань аеродинамічного вдосконалювання; - методи розрахунків і технологічні рішень питань аеродинаміки сучасних болідів світових виробників тримаються ними в найсуворішому секреті. Доступні публікації мають ознайомлювальний характер, без глибоких опрацювань по аеродинаміці процесів, що відбуваються з аеродинамічними елементами. - суттєва відмінність вимог до формоутворення автомобілів, що беруть участь у змаганнях на економічність і в швидкісних перегонах. - складний механізм обтікання автомобіля супроводжується численними відривами повітря, утворенням вихрового спутного сліду, а також наявність підкапотного простору, підднищевої зони й коліс, ускладнює теоретичне визначення його аеродинамічних характеристик. Спираючись на це сформульовані основні завдання дисертаційної роботи. Для розробки методики чисельного експерименту по моделюванню внутрішніх і зовнішніх потоків навколо гоночного автомобіля було 4 проведено огляд чисельних методів і моделей дослідження зовнішньої та внутрішньої аеродинаміки гоночних і спортивних автомобілів. А також виконано аналіз розрахункових методів для осереднених рівнянь Нав'єСтокса, та обґрунтовано вибір розрахункового методу, реалізований у програмному комплексі MTFS, розробленому під керівництвом проф. В.Г. Солодова; запропоновано методику його застосування для вирішення завдань зовнішньої аеродинаміки з урахуванням корекції стисливості для малошвидкісних течій. За допомогою чисельного експерименту було визначено ефективну форму передніх і задніх антикрил, днища, повітрязабірників. Для цього була створена твердотільна модель занурювалась у розрахункову область. Завдяки чисельному експерименту виявлена інтерференція потоку між кузовом і заднім антикрилом і нерівномірне набігання потоку на заднє антикрило по довжині, яка погіршує його аеродинамічні характеристики. На основі аналізу результатів тривимірних розрахунків запропоновано нову геометрію заднього антикрила з закрилком, що відрізняється від вихідної наявністю геометричної скрутки крила з закрилком навколо передньої кромки крила. Характеристики модифікованого антикрила відрізняються більш однорідним полем розподілу коефіцієнта тиску на передній кромці, поліпшенням Cy в порівнянні з базовим на 4,5%. В роботі розглянуто принципи аеродинамічного удосконалення кузова і днища гоночного автомобіля формули Е-8. Основним параметром, що змінюється у варіантах заднього дифузора, прийнятий геометричний коефіцієнт дифузорності. Розрахунок обтікання кузова з вихідним дифузором вказав на наявність відриву потоку від верхньої стінки в бічній секції за входом в дифузор, а також значну циркуляційну зону на виході з бічної секції, викликаної перетіканням потоку під бічною стінкою, але показав безвідривність течії у середній секції практично до виходу з дифузора. Це 5 вказувало на завищений коефіцієнт дифузорності у бічній секції і стимулювало пошук ефективної форми її верхнього обводу. Практичним результатом досліджень стало збільшення притискної сили на 20% у порівнянні з вихідним варіантом. Співставлення даних чисельного і натурного експерименту показало задовільну відповідність. Результатом розрахунку системи охолодження гоночного автомобіля є визначення найкращого для даної компоновки розташування вихідних і вхідних отворів системи охолодження, що дозволило збільшити витрату повітря через радіатор на 150% при неістотному ( у межах 5%) збільшенні притискної сили, і сили опору. В ході виконання дисертаційного дослідження розроблено контрольновимірювальний комплекс для проведення натурного експерименту по визначенню тиску на поверхні дифузора, заднього антикрила та у системі охолодження залежно від швидкості руху, описано методику отримання даних, проведено порівняльний аналіз результатів чисельного та натурного експерименту. В результаті аналізу експериментальних досліджень було надано підтвердження даних отриманих в результаті чисельних розрахунків. Так, для дифузору аналіз результатів вказав на наявність відривної течії у вихідній конфігурації бічних відсіків дифузора, що свідчить про його неефективну роботу. Вимірювання кутів атаки заднього антикрила за допомогою циліндричного кутоміра виявило нерівномірне обтікання заднього антикрила внаслідок інтерференції кузова і антикрила. Дослідження у відсіку радіатора виявили нерівномірне обдування радіатора потоком з повітрязабірника. У верхній частині радіатора обдув більш інтенсивний, в нижній частині радіатора існує «застійна зона». В роботі розглянуто питання аеродинамічного проектування єкомобіля з наднизьким аеродинамічним опором для участі у змаганнях «Shell Ecomarathon». 6 Представлено чисельний аналіз базових зовнішніх форм кузова біля екрану, що дозволило мінімізувати вплив особливостей форми кузова екомобіля. Запропоновано та розглянуто можливі компонувальні рішення для екомобілів. Розглянуто принципи проектування форми кузова з мінімальним аеродинамічним опором. Вивчено вплив бічного вітру на аеродинаміку екомобілів. Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому: У результаті проведених досліджень автором розв’язана задача вдосконалення аеродинамічних форм автомобілів для спорту і дано рекомендації щодо поліпшення їх аеродинамічних характеристик, у тому числі: - шляхом натурних випробувань низки автомобілів для спорту формули Е-8 вперше отримано узагальнені експериментальні дані з аеродинамічних характеристик антикрил, повітрязабірників, дифузору днища; - дістав подальший розвиток чисельний експеримент для автомобілів для спорту: а саме, вперше в Україні сформульовано постановку чисельного моделювання обтікання антикрил, дифузора, днища та повітрязабірників в інтерференції з кузовом автомобілів для спорту формул Е8, «Shell Ecomarathon» та виконано чисельне дослідження. - вперше визначено взаємозв’язок між аеродинамічною складовою притискної сили що діє на кузов автомобілів для спорту та формоутворенням дифузору днища, формою розміщенням антикрил; - вперше сформульовано основні принципи формування автомобільного кузова з наднизьким аеродинамічним опором, проведено його аеродинамічний аналіз; - отримала подальший розвиток теорія криволінійного руху автомобіля, в частині визначення критичної швидкості за рахунок врахування аеродинамічної компоненти; 7 - вперше отримана залежність розташування та направлення вектору повної аеродинамічної сили від набору аеродинамічних елементів, що використовуються в автомобілі. Практичне значення одержаних результатів: полягає у використанні отриманих рішень при удосконаленні існуючих гоночних автомобілів формули Е-8, а також у створенні нових зразків гоночних автомобілів, що дозволить істотно підвищити енергетичні та ходові якості з урахуванням прогнозованих експлуатаційних навантажень і швидкостей. На основі рішень дисертаційної роботи спроектований і побудований кузов рекордного екомобіля ХАДІ-34 для участі в змаганнях «Shell Eco-marathon».